CN105845513A - 基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关结构，属于MEMS技术领域。其特征在于，所述石墨烯射频开关含有从上到下连接在一起的石墨烯(2‑4)、氮化硼(2‑5)、共面波导信号传输线(2‑1)，共面波导地线(2‑2)，石英基底(2‑3)；所述共面波导信号传输线(2‑1)与位于两边的两条共面波导地线(2‑2)，互相平行；所述石墨烯(2‑4)位于氮化硼(2‑5)上方；所述石墨烯(2‑4)和氮化硼(2‑5)组成复合梁结构，梁两端分别与两条共面波导地线(2‑2)接触，中间部分悬空；所述共面波导信号传输线(2‑1)位于所述复合梁结构悬空部分正下方。本发明提供的这种结构可使石墨烯射频机械开关减小插入损耗、增大隔离度，并易于加工。

Description

基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关

技术领域

本发明涉及一种石墨烯射频机械开关，特别涉及一种基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关结构，该结构可使石墨烯射频机械开关减小插入损耗、增大隔离度。属于MEMS技术领域。

背景技术

MEMS射频机械开关是芯片上用于控制高频信号的常见单元结构。然而传统的硅MEMS开关驱动电压通常很大(十几伏至几十伏)，开关速度较慢(微秒量级)，因此与集成电路兼容性较差，影响其进一步实用化。与硅开关相比，石墨烯开关可以很好的解决以上问题，它具有吸合电压小(小于10V)、开关速度快(纳秒量级)的优势。然而由于石墨烯射频机械开关出现的时间较短，要想实用化还存在若干需要解决的问题：

首先，插入损耗与隔离度是射频机械开关的两个重要指标，目前文献报道的石墨烯开关插入损耗过大(开关在开态时的输出与输入信号比值过小，见参考文献1：Single-crystalline graphene radio-frequency nanoswitches.P.Li,et al,Journal of Micromechanics and Microengineering,2015,25,075022.)，导致高频信号在开关导通时不能完全通过，产生较大损耗。而且目前石墨烯开关的隔离度也较差(开关在关态时的输出与输入信号比值过大，见参考文献2：Fabrication process and characterization of suspended graphene membranes forRF NEMS capacitive switches.C.F.Moldovan,et al,MicroelectronicEngineering,2015,145,5-8.)，导致开关在关态时不能完全阻隔高频信号，产生较严重的电信号泄漏。这两个参数严重影响了石墨烯开关的高频性能；其次，目前石墨烯开关加工工艺过程及结构复杂，通常需要超临界干燥等加工过程(见附图1)，或者双悬空复杂结构，导致器件成品率低，直接影响其实用化。因此需要一种易于加工的MEMS新结构，能够有效提升石墨烯射频机械开关的插入损耗与隔离度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新的器件结构，利用石英基底共面波导减小石墨烯射频机械开关插入损耗、利用多石墨烯梁并联与二维绝缘材料氮化硼结合提高开关隔离度。基于本发明的石墨烯射频机械开关具有结构更简单、插入损耗和隔离度性能指标更加优良的特点。

本发明是通过下述方法实现的：

基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关，其特征在于，所述石墨烯射频开关含有从上到下连接在一起的石墨烯2-4、氮化硼2-5、共面波导信号传输线2-1，共面波导地线2-2，石英基底2-3；所述共面波导信号传输线2-1与位于两边的两条共面波导地线2-2，互相平行；所述石墨烯2-4位于氮化硼2-5上方；所述石墨烯2-4和氮化硼2-5组成复合梁结构，梁两端分别与两条共面波导地线2-2接触，中间部分悬空；所述共面波导信号传输线2-1位于所述复合梁结构悬空部分正下方。

在上述石墨烯射频机械开关中，所述石墨烯2-4为单层或多层，一般为1-10层。

在上述石墨烯射频机械开关中，所述氮化硼(2-5)为单层或多层，一般为1-10层。

在上述石墨烯射频机械开关中，在所述石英基底共面波导上并排布置多个相同的石墨烯和氮化硼复合梁结构。

在上述石墨烯射频机械开关中,在所述石墨烯(2-4)和氮化硼(2-5)组成复合梁结构的中间悬空部分中，石墨烯与氮化硼的形状、面积相同。

在上述石墨烯射频机械开关中，所述共面波导通过溅射、或蒸镀或其它方法形成于石英基底上表面，其中金属材料选用Au、Ag、Cu、Al、Pt中的任意一种；

在上述石墨烯射频机械开关中，所述石英基底厚度为100-300微米，基底表面除共面波导以外的区域整体向下凹陷0.1-0.5微米。

基于以上技术方案，本发明的有益效果是：

(1)降低石墨烯射频机械开关插入损耗。降低机械开关插入损耗的有效方法主要有两种：一种是采用共面波导结构(如图2。中间的金属线用于传输高频信号，两边的两根金属线接地，可以有效减小高频信号传输过程中的损耗)。一种是降低基底带来的损耗。目前报道的石墨烯器件通常采用硅/二氧化硅作为基底，射频信号传输过程中损耗过大。采用石英基底可以有效降低衬底的损耗(如图3)，并且基底越薄，损耗越小。综合以上原因，本发明采用100-300微米厚度的石英基底(普通石英基底厚度为500微米)，并与共面波导相结合。在此基础上，将石英表面共面波导以外的区域向下刻蚀0.1-0.5微米，此结构可以有效降低基底对开关的影响，降低开关插入损耗。

(2)提升开关隔离度。(电容式)射频开关在悬臂梁与信号传输线之间通常有一层绝缘层，其目的在于隔离直流信号。绝缘层的厚度对开关的隔离度具有重要影响，绝缘层越薄，开关吸合后的电容越大，隔离效果越好。因此本发明在石墨烯梁背面增加一层二维绝缘材料(氮化硼)，达到了绝缘层的厚度下限，既可以有效隔绝直流信号，又能够极大提升开关的隔离度。此外，在共面波导上连续布置多个石墨烯梁(多开关并联结构)也可以进一步提高射频机械开关的隔离度(如图4)。

附图说明

图1为已有技术中石墨烯射频开关常见结构及其加工过程示意图,图中，1-1—硅基底，1-2—金属下电极，1-3—氮化硅绝缘层，1-4—二氧化硅牺牲层，1-5—石墨烯，1-6—金属上电极。

图2为已有技术中的共面波导示意图，图中，1-7—共面波导的信号传输线，1-8——共面波导的地线。

图3为本发明的使用石英基底与硅基底的开关插入损耗对比图。

图4为本发明的使用单梁结构与多梁结构对比图。

图5为本发明的基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关结构俯视图，图中，2-1—共面波导信号传输线，2-2—共面波导地线，2-3—石英基底，2-4—石墨烯。

图6为本发明的基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关结构侧视图，图中，2-1—共面波导信号传输线，2-2—共面波导地线，2-3—石英基底，2-4—石墨烯，2-5—氮化硼。

图7为本发明的石英基底表面共面波导加工流程图。

图8为本发明的石墨烯/氮化硼制备与悬空结构加工流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例

开关具体加工流程如下：

(一)石英基底表面共面波导加工(图7)

在石英基底表面旋涂一层负性光刻胶(匀胶机转速1000-4000RPM，时间30-90秒)，在热板上90-120℃加热1-2分钟。通过曝光(1-2分钟)，后烘(90-120℃，2-3分钟)，与显影(RD6显影液中浸泡1-2分钟)使其图形化。采用溅射工艺生长10纳米钛和50-100纳米厚度的金。将样品浸泡在丙酮中，并辅助以超声振荡，目的在于去除光刻胶以及光刻胶表面附着的金属(剥离工艺)。通过剥离工艺实现第一层金属图形化，形成信号传输线。采用同样的方法(剥离工艺)在石英基底表面加工两条地线(地线厚度为1-2微米)，形成共面波导结构。利用干法或湿法刻蚀，将石英基底表面未被金属层保护的区域向下刻蚀0.1-0.5微米。

(二)石墨烯/氮化硼制备(图8)

将1：10混合之后的聚合物PDMS均匀涂在载玻片上，通过在热板上90-120℃加热10-15分钟使其固化。采用透明胶带将石墨烯从块状石墨表面剥离(机械剥离法)。将胶带上有石墨烯的一面贴在PDMS表面。10-15分钟后，缓慢揭掉胶带，此时石墨烯从胶带表面转移至PDMS/载玻片上。氮化硼的制备方法与石墨烯相同。

(三)石墨烯/氮化硼悬空结构加工

在光学显微镜下找到PDMS/载玻片上所需的单层氮化硼，并通过微操作台将选中的单层氮化硼对准石英基底共面波导正上方。通过调节距离，使载玻片上的氮化硼与石英基底上的共面波导纵向缓慢接近，并不断精确调节其横向相对位置，最终使氮化硼与两边的地线接触。将贴合之后的样品在90-120℃热板上加热5-10分钟，待氮化硼与金属地线之间建立较牢固接触后，将PDMS/载玻片从石英基底表面剥离。此时氮化硼两端与两条地线分别连接，与其下方的信号传输线并不接触，形成两端固支悬空结构。采用同样的方法将石墨烯转移至氮化硼上表面。石墨烯射频机械开关的基本结构加工完成。用同样的方法多次转移氮化硼/石墨烯至石英基底，可以形成多个并联的石墨烯梁开关(图5)，此并联开关结构相比于单个石墨烯梁可以进一步提升开关的隔离度。

(四)石墨烯开关测试

在石墨烯射频开关一端加高频输入信号，另一端测量输出。当石墨烯梁悬空时，开关对输入的高频信号没有明显作用，射频信号几乎可以完全通过，此时开关导通(插入损耗＝(开关导通时)输出端信号/输入端信号)。石墨烯射频机械开关采用静电驱动：当地线和信号线之间增加直流偏压时，由于静电力作用，石墨烯梁被向下吸引并产生运动，最终与信号线接触(氮化硼在其中起绝缘的作用，隔绝直流电流)，此时地线和信号线之间形成高频短路，射频信号传输过程中遇到石墨烯梁之后被反射，无法穿过开关，因此开关断开(隔离度＝(开关闭合时)输出端信号/输入端信号)。去掉直流偏压后，石墨烯两端固支梁由于弹性力重新恢复到悬空状态，射频机械开关恢复导通。

Claims (7)

1.基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关，其特征在于，所述石墨烯射频开关含有从上到下连接在一起的石墨烯(2-4)、氮化硼(2-5)、共面波导信号传输线(2-1)，共面波导地线(2-2)，石英基底(2-3)；所述共面波导信号传输线(2-1)与位于两边的两条共面波导地线(2-2)，互相平行；所述石墨烯(2-4)位于氮化硼(2-5)上方；所述石墨烯(2-4)和氮化硼(2-5)组成复合梁结构，梁两端分别与两条共面波导地线(2-2)接触，中间部分悬空；所述共面波导信号传输线(2-1)位于所述复合梁结构悬空部分正下方。

2.根据权利要求1所述的石墨烯射频机械开关，其特征在于，所述石墨烯(2-4)为单层或多层，一般为1-10层。

3.根据权利要求1所述的石墨烯射频机械开关，其特征在于，所述氮化硼(2-5)为单层或多层，一般为1-10层。

4.根据权利要求1所述的石墨烯射频机械开关，其特征在于，在所述石英基底共面波导上并排布置多个相同的石墨烯和氮化硼复合梁结构。

5.根据权利要求1所述的石墨烯射频机械开关，其特征在于，在所述石墨烯(2-4)和氮化硼(2-5)组成复合梁结构的中间悬空部分中，石墨烯与氮化硼的形状、面积相同。

6.根据权利要求1所述的石墨烯射频机械开关，其特征在于，所述共面波导通过溅射、或蒸镀或其它方法形成于石英基底上表面，其中金属材料选用Au、Ag、Cu、Al、Pt中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的石墨烯射频机械开关，其特征在于，所述石英基底厚度为100-300微米，基底表面除共面波导以外的区域整体向下凹陷0.1-0.5微米。